Diapositivas Parte 1 - Núcleo de Ingeniería Biomédica

Bases fisico-químicas y modelado del
tejido excitable.
núcleo de ingeniería biomédica
facultades de ingeniería y medicina
universidad de la república
Sistema Nervioso Central
La función principal del SNC es la de captar, transmitir
y elaborar información.
Sistema endócrino: envia órdenes por medio de las
hormonas, que a traves de la sangre, determinan
respuestas en los diversos organos.
Sistema nervioso: envia órdenes por las vias nerviosas
dirigidas directamente a cada uno de los órganos.
Funciones del sistema nervioso
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l
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Funciones sensoriales: Los estímulos recibidos por
receptores sensoriales que son neuronas especializadas en
transducir algún cambio sonoro, térmico, etc.
Funciones motoras: Control y regulación de actividades
corporales. Se regulan músculos esqueléticos y lisos,
glándulas, etc.
Funciones superiores: Elaboración de planes o ideas de
actuación propios, utilizando la memoria.
Niveles funcionales del sistema nervioso
SISTEMA NERVIOSO PERIFÉRICO – Proyecciones del
tejido nervioso desde los órganos centrales (cerebro, cerebelo,
médula, etc) hasta los órganos periféricos.
l
SISTEMA NERVIOSO CENTRAL – Constituido por
encéfalo superior, encéfalo inferior y médula.
l
Encéfalo inferior: Encargado de las funciones que no requieren
atención consciente dirigida (sistema vestibular, respiración, etc.)
lEncéfalo superior: Funciones conscientes, memoria.
lMédula: Vía de conducción de señales desde la periferia hasta el
encéfalo.
l
Celulas exitables
Entre las células excitables se pueden distinguir principalmente las
nerviosas (o neuronas) y las células musculares.
NEURONAS - transmiten a otras y a células musculares, el
impulso excitatorio. Característica fundamental para la formación
del sistema nervioso.
l
CÉLULAS MUSCULARES – Son las responsables de la
contracción y distensión del tejido muscular.
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Histología de la neurona
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Soma - contiene el núcleo celular y ocurre la síntesis
proteica.
Dendritas – prolongaciones citoplasmáticas, la mayor parte
de la estimulación de la célula.
Axón - extensión fina, semejante a un cable miles de veces
el tamaño del soma. Transmite el impulso nervioso al
exterior de la neurona.
Histología de la neurona
l
l
La mayoría de las neuronas de vertebrados reciben
el estímulo electroquímico en el soma o dendritas
y lo transmiten a través del axón.
Dicha transmisión se llama Transmisión sináptica.
Membrana celular
En el interior y exterior de la célula existen iones en
distintas concentraciones.
lLa membrana celular es semipermeable para estos
iones.
lLa semipermeabilidad permite el movimiento pasivo
de iones.
lEl
reposo se alcanza cuando existe equilibrio
electroquímico.
l
Membrana celular
Difusión a través de la membrana celular
TRES TIPOS:
DIFUSION SIMPLE
Difusión de sustancias sin cargas, pequeño diametro. O 2, N2, alcoholes, urea, etc…
PASIVA O FACILITADA
Difusión por canales iónicos específicos. Regulan el pasaje de iones específicos. Sus
características pueden cambiar con estímulos externos. (Activos o Pasivos)
La difusión se da en favor de los gradientes de concentración.
Facilitada macromoléculas
Ø ACTIVA.
Bombas: transportan en contra de gradientes, consumen ATP (energía).
Difusión a través de la membrana celular
Membrana celular
l
Equilibrio electroquímico
−
Las concentraciones iónicas y la diferencia de potencial
eléctrico generado, se cancelan logrando un movimiento
neto nulo de iones.
−
La distribución iónica no es simétrica a ambos lados de
la membrana celular.
gradientes de concentración
potencial eléctrico de reposo
Equilibrio electroquímico
Ecuación de Nernst-Planck
R : Constante de los gases (8,31 J/K.mol)
Z : Valencia iónica
T : Temperatura absoluta
F : Constante de Faraday (96484,5561 C/mol)
Pej: -90mV para el K
Equilibrio electroquímico
Ecuación de Nernst-Planck
Equilibrio electroquímico
POTENCIAL DE REPOSO
Ecuación de Goldman-Hodgkin y Katz
No obtante, el Na+ seguíría entrando para anular las cargas negativas dentro
de la neurona permitiendo la salida de K+ con lo que Vrep >>>0, para esto
existe la Bomba Na+-K+.
Así pues la bomba mantiene la polaridad de la membrana
Se ha estimado que una neurona tiene 1.000.000 de Bombas Na+-K+ con
una actividad capaz de movilizar 200.000.000 de iones Na+ /seg
Modelado de la membrana celular
MEMBRANA CELULAR
Comportamiento eléctrico característico,
Circuito equivalente de una célula
esférica. Vm es el potencial de
reposo, rm y Cm las resistencia y
capacidad de la célula.
Cm tiene un valor aproximado de 1 uF/cm²
Modelado de la membrana celular
MEMBRANA CELULAR
Componentes de las conduc-tancias
de Na+ y K+ con sus respectivos
potenciales de equilibrio.
Canales iónicos
l
Los canales iónicos son canales dependientes de
voltaje:
−
La variación de voltaje transmembrana modifica la
permeabilidad de los canales, generando corriente
iónica en favor de los gradientes electroquímicos.
Fenómenos eléctricos
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l
Potencial transmembrana puede modificarse por
estímulos mecánicos, eléctricos, térmicos o
químicos.
Estímulos:
−
−
Baja intensidad: Potencial local
Alta intensidad: Potencial de acción
Potencial local
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l
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El exceso de cargas eléctricas introducidas en la
célula nerviosa, por estimulación eléctrica, causa
una variación del potencial transmembrana.
Esto induce un flujo neto de iones (principalmente
K+). No ocurren cambios sustanciales en las
permeabilidades de los canales iónicos.
Dura de 10 a 15 ms. Tras lo cual se recupera las
concentraciones iónicas y el potencial de reposo.
Potencial local
Potencial local
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No es autopropagable.
Se extiende pocos mm.
Pueden tener signo positivo o negativo.
Entrada de cargas positivas: depolarizante.
Entrada de cargas negativas: hiperpolarizante.
Son potenciales sumables.
Potencial de acción
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l
Si un estímulo o la suma de varios supera los 20 mV
de depolarización, (sube de -70 mV a -50 mV), se
producen variaciones en las permeabilidades de
los canales iónicos, provocando cambios bruscos de
flujos iónicos y potencial transmembrana. Esto se
llama Potencial de Acción.
Se llama Potencial de Umbral, al cambio mínimo
necesario para producir un Potencial de Acción.
Potencial de acción
Fases del potencial de acción:
−
−
−
Depolarización: 0,2 a 0,5 ms. Se alcanza un voltaje de
hasta +30 mV.
Repolarización: 0,5 ms. El voltaje vuelve al valor de
potencial de reposo.
Post-potencial hiperpolarizante: El voltaje desciende por
debajo del potencial de reposo.
Potencial de acción
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Ley del “Todo o nada”.
Amplitud variable, depende de del equilibrio iónico
y permeabilidades de la neurona.
Implica la apertura de canales iónicos dependientes
de voltaje.
Corta duración (1 a 2 ms).
Depolarizante.
No es sumable.
Autopropagable por toda la membrana neuronal.
Potencial de acción
Potencial de acción
Gráfica de corrientes (flujo iónico)
frente a voltaje (potencial de
membrana), ilustrando el umbral
(flecha roja) del potencial de acción
de una célula ideal.
Potencial de acción
l
Al final existe un desequilibrio ionico que es
constantemente restaurado con la Bomba Na/K. Se
consume ATP, se introducen iones K+ y se extraen
iones Na+, en contra de los gradientes
electroquímicos,
buscando
el
equilibrio
electroquímico.
Potencial de acción
l
Existe el llamado Período Refractario.
−
−
−
Debido a que la permeabilidad de los canales de Na+
queda inactivada durante un breve lapso posterior al
Pontencial de Acción. Esto da la direccionalidad en la
propagacion del impulso.
El Período Refractario Absoluto, es el lapso en el cual no
se produce ningún potencial de acción, cualquiera sea la
intensidad del estímulo (duración entre 1 y 2 ms).
El Período Refractario Relativo, es el lapso en que puede
producirse un Potencial de Acción, pero con un estímulo
superior al normal.
Propagación del potencial de acción
Propagación del potencial de acción
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Existen axones mielínicos y amielínicos.
Amielínicos: Conducción continua.
Mielínicos: Conducción saltatoria.
A lo largo del axón mielínico existen espacios sin
mielina llamados Nodos de Ranvier. En estos nodos
se genera el potencial de acción.
La propagación saltatoria consume menos cantidad
de energía al tener que mover menos iones la Bomba
Na/K.
Propagación del potencial de acción
entre neuronas
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La terminación del axón se llama “cono axónico”.
Tiene mayor densidad de canales iónicos, lo que la
hace más fácilmente excitable.
Los terminales axónicos son zonas especializadas en
liberar neurotransmisores que son los responsables
de mediar en la sinapsis.
Las dendritas se ubican en la postsinapsis,
obteniendo un estímulo químico que genera un
Potencial de Acción.
Conexión neurona-neurona
Sistema muscular
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Juntura neuromuscular
•De la espina dorsal a músculos
esqueléticos
llegan
fibras
motoras eferentes.
•Cada fibra controla un grupo
específico de músculos.
•Para músculos grandes cada
fibra nerviosa controla entre 100
y 200 fibras musculares. Para la
motricidad fina, cada fibra
nerviosa controla hasta 6 fibras
musculares.
•Estimular una fibra nerviosa
produce la contracción de
todos los músculos asociados a
la fibra.
Tejido muscular
• Tres tipos de músculos:
–
De contracción voluntaria:
•
–
De contracción involuntaria inervada:
•
–
Músculo esquelético: mayor volumen, 40% de la
masa corporal.
Muslo liso: tracto digestivo, vasos sanguíneos (no se
tratara en este curso)
De contracción involuntaria no inervada:
•
Músculo cardíaco: miocardio (próxima clase)
Músculo esquelético
• Estructura:
– Haz de fibras.
– Fibra muscular: es la célula
muscular, miocito, 10 a 100um
de diámetro.
– Miofibrilla: unidad básica, dan
el aspecto estriado.
– Miofilamentos: miosina
(gruesos) y actina (delgados).
Músculo esquelético
Miofibrilla:
Bandas:
•
•
•
•
Banda A: bandas oscuras, miosina y actina.
Banda I: bandas claras, actina.
Banda H: bandas pálidas, miosina.
Sarcómero: unidad funcional comprendida entre líneas Z
por una banda A y dos medias bandas I. Longitud
dependiente de la contracción.
Músculo esquelético
• Miofilamentos:
• Grueso:
• Unas 300 moléculas de miosina.
• Tienen 1.5 micras de longitud y 100-400 A de diámetro.
• Delgado:
• Están compuestos por 3 proteínas: actina fundamentalmente,
tropomiosina y troponina, en relación 7:1:1.
Fisiología Muscular
• Dinámica de la contracción muscular:
• El potencial de acción viaja por la fibra eferente motora hacia la juntura
neuromuscular (centro de fibra muscular).
• Cada axón eferente, se divide en varios cientos de ramas que activaran cada una
de las fibras musculares.
• Se produce la apertura de canales de Na+ (ingresa a la célula muscular).
• Vm >= -50mv → Pot. de Acción Muscular. Una serie de túbulos (llamados T),
se encargan de difundir dicho potencial a toda la fibra muscular.
• Esto provoca apertura de canales de Ca++ que ingresa y baña a cada una de las
miofibrillas. El ion Ca++ es clave en el acoplamiento que produce la
contracción.
• Luego la bomba de Ca++ regresa dicho ion a sus valores normales para la
distensión.
Fisiología Muscular
• Contracción:
• Resulta
del
acortamiento
del
sarcómero,
desplazamiento de miofilamentos delgados sobre
gruesos.
• El Ca que llegó se une a la troponina generando un
cambio en su posición, dejando al descubierto la zona
de contacto de la actina con la miosina. Dado esto, las
cabezas de miosina se unen con dichos puntos de
contacto. Mediante hidrólisis de de ATP, la cabeza de
miosina gira 45 grados produciéndose un
desplazamiento del miofilamento delgado hacia el
centro del sarcómero de unos 5nm.
• Luego la cabeza se desengancha y vuelve a quedar en
posición vertical para volver a acoplarse y repetir el
proceso como si fuera una especie de remo.
• La relajación muscular sucede cuando los iones de Ca
vuelven a sus concentraciones de reposo.
Célula muscular cardíaca (miocito
cardíaco)
•
En el miocito la activación
eléctrica ocurre igual que en las
neuronas:
–
Ingreso de iones Na+
•
La amplitud del PA es de 100 mV
(también similar)
•
La duración es cerca de 100 veces
mayor que en neuronas y miocitos
esqueléticos (300 ms).
•
La repolarización es consecuencia
del egreso de iones K+
•
Una importante diferencia entre el
miocito cardíaco y el miocito
esquelético o liso, es que el
cardíaco propaga el estímulo de
una célula a la otra en cualquier
dirección.
Conceptos Importantes
•
•
•
•
•
Estructura de la neurona, transmisión sináptica.
Canales iónicos, equilibrio iónico (Ley de Nernst)
y modelo Hodgkin-Huxley
Potencial de acción: causas, flujo iónico y
recuperación de concentraciones, forma de onda,
valores y sus causas
Diferencias entre potencial local y potencial de
acción. Ley de “todo o nada”. Período refractario.
Propagación del PA en el axón. Nodos de Ranvier.
Conceptos Importantes
•
•
•
•
Juntura neuromuscular: qué es, control consciente
de la musculatura
Tipos de tejido muscular
Dinámica de la contracción muscular
Miocito cardíaco: diferencia con miocito
esquelético, características del PA, propagación a
otras células
Referencias
•
Simini, F - "Ingeniería Biomédica: perspectivas desde el Uruguay", Depto.
Publicaciones UR, 2007
•
Webster, J - "Medical Instrumentation. Application and design", 3ra ed, JW&S,
1998
•
Malmivuo, J y Plonsey, R - "Bioelectromagnetism. Principles and applications of
bioelectric and biomagnetic fields", Oxford University Press, 1995
(http://butler.cc.tut.fi/~malmivuo/bem/bembook/index.htm)